《材料加工与改性数值模拟》教学大纲

《材料加工与改性数值模拟》教学大纲适用范围202X版本科人才培养方案课程代码:03145171课程性质专业必修课学分2学分学时32学时（理论16学时，实践16学时）先修课程高等数学、工程制图与CAD、材料制备计算机辅助设计、材料科学基础等后续课程材料制备分析综合实验、毕业实习、毕业设计适用专业材料科学与工程开课单位材料科学与工程学院一课程说明《材料加工与改性数值模拟》是材料科学与工程专业一门同计算机应用有密切联系的专业必修课程本课程主要介绍计算机在材科加工与改性中的应用及相关软件的使用，任务是在加强对基础知识、基本方法掌握的基础上，结合材料科学与工程研究领域的新方法、新技术中计算机的应用，使学生初步具备在材料科学领域应用计算机解决实际问题的能力，了解计算机应用中常用技术手段的工作原理、性能及特点，掌握材料制备、加工、改性和检测中运用计算机解决问题的的基本方法及材料科学领域常用的计算机相关软件

二、课程目标通过本课程的学习，使学生达到如下目标课程目标1:掌握材料加工与改性中的数学建模、数值分析方法、物理场的数值模拟等相关理论知识；熟悉材料数据库和新材料设计、材料加工过程的计算机控制、计算机在材料检测中的应用、数据与图像处理等方面的专业知识；了解材料加工与改性技术的发展现状和趋势课程目标2具备材料加工与改性方面的数学建模、物理场数值模拟、材料加工过程预测与模拟等方面的基本能力；具有在材料科学与工程相关领域从事生产、技术研发、工艺设计与优化等工作的初步能力课程目标3具有良好的材料设计、制备、改性、性能检测与分析等方面的计算机应用素质；具有良好的社会公德和职业道德、较强的社会责任感和团队合作精神；树立正确的是非观念和劳动意识；具有坚定正确的政治方向、科学的世界观、人生观和价值观三课程目标与毕业要求《材料加工与改性数值模拟》课程教学目标对材料科学与工程专业毕业要求的支撑见表lo表课程教学目标与毕业要求关系1支撑强毕业要求指标点课程目标度课程目标1:掌握材料加工与改性

1.2能针对具体对象建中的数学建模、数值分析方法、物立数学模型并求解理场的数值模拟等相关理论知识；

1.3掌握相关自然科学熟悉材料数据库和新材料设计、材L工程知识知识、工程基础知识和料加工过程的计算机控制、计算机M思维方法，并能将其应在材料检测中的应用、数据与图像用于解决材料专业相关处理等方面的专业知识；了解材料复杂工程问题加工与改性技术的发展现状和趋势课程目标3具有良好的材料设计、制备、改性、性能检测与分析等方

3.2设计/开发解决方案面的计算机应用素质；具有良好的过程中，能够在考虑社社会公德和职业道德、较强的社会会、健康、安全、法律、.设计/开发解决方案3责任感和团队合作精神；树立正确M文化以及环境等因素的的是非观念和劳动意识；具有坚定前提下，论证方案的可行性正确的政治方向、科学的世界观、人生观和价值观课程目标2具备材料加工与改性

5.2能够开发、选择与使用现代工程工具和信息方面的数学建模、物理场数值模技术工具对材料专业相拟、材料加工过程预测与模拟等方关复杂工程问题进行辅面的基本能力；具有在材料科学与.使用现代工具5H助设计、预测和模拟，工程相关领域从事生产、技术研并理解其局限性发、工艺设计与优化等工作的初步能力注表中（高”（中）”表示课程与相关毕业要求的关联度“H M

四、教学内容、基本要求与学时分配

1.理论部分理论部分的教学内容、基本要求与学时分配见表2表教学内容、基本要求与学时分配2理论实践学对应的课程教学内容教学要求，教学重点难点学时时目标绪论教学要求理解本课程的任务、主要内容和L材料科学研究中的学习方法，熟知计算机在材料科学的应用，数学模型

1.1数学模了解新材料革命与材料基因组计划，了解我型基础

1.2建立数学国超级和量子计算机的发展理解数学模型

221、

2、3模型的步骤和原则上的概念，了解数学模型的类型、作用和数学机1实验数据分析建模方法，掌握实验数据分析方法，掌握材料研究中的曲线拟合与建模方法

1.3数学建模的方法重点实验数据分析，材料研究中的曲线拟上机2曲线拟合与建合与建模方法模难点常用数学建模方法的理解与应用.材料科学研究中常教学要求熟悉数值分析基础知识，理解有2用的数值分析方法限差分法的基本概念、原理，了解差分方程

2.1有限差分法的求解方法熟悉有限元的基础知识,了解

2.2有限元法常用的有限元软件，掌握带孔矩形板静力学

221、2分析方法上机3带孔矩形板静重点带孔矩形板静力学分析方法力学分难点差分方程的求解方法.材料科学研究中主3教学要求了解热力学分析理论基础，熟悉要物理场的数值模拟温度场数值模拟研究现状，掌握利用有限元

3.1温度场理论基础软件对电池发热稳态热分析方法了解涡轮上机4电池发热的稳叶片数值模拟应用，理解传热学基础知识，态热分析理解弹性力学基础知识，掌握泵壳稳态热应

3.2热应力场理论基

241、

2、3力场计算础重点利用有限元软件对电池发热稳态热分上机5泵壳稳态热应析，泵壳稳态热应力场分析力场分析难点热力学分析理论基础，理解传热学基础知识，理解弹性力学基础知识材料科学与行为工

4.艺的计算机模拟

4.1教学要求理解组织转变的模拟过程，了解组织转变的计算机模热力学模型，理解相图的绘制过程掌握相拟图计算的方法与分析，了解计算机相平衡计

222、

34.2计算机相平衡计算方法算方法重点相图计算方法与分析上机6相图计算与分难点计算机相平衡计算方法析材料数据库和新材

5.教学要求:熟悉数据库系统的组成与结构了料、新合金的设计

5.1解材料科学与工程数据库的发展了解人工材料科学与工程数据神经网络的概念，熟悉人工神经网络的组成、库工作原理及类型了解人工神经网络在材料

5.2人工神经网络在科学中的应用掌握人工神经网络材料设计

221、2材料科学中的应用上优化与建模机7人工神经网络材重点:人工神经网络材料设计优化与建模难料设计优化与建模点人工神经网络的结构、原理及开发应用材料加工过程的计教学要求了解铸造模拟软件的特点与应用，

6.学会铸造模拟软件使用，掌握铸造充型与凝算机控制固过程方法

111、

2、3上机8铸造模拟软件重点铸造模拟软件使用使用难点铸造充型与凝固过程方法

7.计算机在材料检测教学要求熟悉金相图像分析系统、材料显中的应用微组织的计算机仿真了解万能材料试验机

7.1材料成分和组织的计算机辅助测试系统、专项实验设备的计

22、3检测算机数据采集和处理系统

7.2材料力学和物理重点金相图像分析系统、材料显微组织的计算机仿真性能检测难点显微组织的计算机模拟的理解材料科学研究中的教学要求:熟悉数据与图像处理相关软件，可

8.数据与图像处理上机以利用相关软件进行数据处理及简单绘图9材料组织参数图像熟悉相关图像分析与处理软件，可以利用该

21、2分析软件进行图像处理重点材料组织参数图像分析难点图像的精细处理.互联网在材料科学9教学要求了解互联网上的材料科学信息资研究中的应用源，熟悉其检索方法熟悉常用材料科学数

9.1材料科学文献检据库，掌握材料科学文献的检索方法重点:

111、3索材料科学文献数据库及其检索方法难点

9.2课程小论文规范文献的精确查找方法与要求机动2合计

16162.上机部分上机教学内容、基本要求与学时分配见表3表实践教学项目、内容与学时3对应的课程上机项目上机内容和要求上机学时目标上机内容数据分析软件工作簿、图表、函数曲线等窗口，曲线拟合建模

1.实验数据分析上机要求掌握数据分析软件数据分析的

11、3基本操作步骤，了解数据分析软件各功能模块的应用上机内容变量相关性、实验数据建立数学模型，曲线拟合建模上机要求确定材料研究中的变量之间是

2.曲线拟合与建模

11、2否存在相关性，用实验数据建立数学模型，根据一个或几个变量的取值预测或控制另一个变量的取值范围上机内容使用相关软件对带孔矩形板静力学分析

3.带孔矩形板静力学分上机要求掌握静力学的计算步骤，定义

21、

2、3析材料模型的方法，求解应力、应变和位移的方法上机内容电池发热的稳态热分析上机要

4.电池发热的稳态热分求掌握稳态传热计算步骤、学会定义多

21、2析层材料模型的方法、施加热边界条件上机内容泵壳稳态热应力场计算与分析

5.泵壳稳态热应力场分上机要求掌握稳态热应力场的计算步骤，

21、

2、3析定义材料模型的方法

6.相图计算与分析上机内容用相图计算软件获得Fe-Cr-C

21、

2、3垂直截面和等温截面相图上机要求了解相图计算软件和数据库，用相图计算软件计算Al-Mg-Si垂直截面与等温截面相图上机内容人工神经网络工具箱

7.人工神经网络材料设上机要求初步掌握人工神经网络工具箱

21、3计优化与建模的使用方法，能够对材料组织与性能数据进行分析和建模上机内容利用铸造模拟软件进行铝合金压力铸造充型和凝固过程

8.铸造模拟软件使用

21、

2、3上机要求熟悉铸造模拟软件，了解压力铸造充型和凝固分析方法上机内容练习使用常见的图像处理软件，材料组织参数分析

9.材料组织参数图像分上机要求了解金相显微照片图像处理的

21、2析基本方法，掌握图像处理软件的基本操作合计16

五、教学方法及手段本课程采用讲授、上机操作、视频学习、文献查阅、课堂练习和案例分析等教学方式方法完成课程教学任务和相关能力的培养使学生较为全面地掌握数值模拟的常用分析技巧和基本设计流程，掌握相关材料科学领域应用软件的使用方法，培养学生自主学习能力、实际动手能力，激发学生的创新思维

六、课程资源

1.推荐教材

（1）许鑫华.计算机在材料科学中的应用[M].北京机械工业出版社,

2022.

122.参考书

（1）杨明波.计算机在材料科学与工程中的应用[M].北京化学工业出版社，

2022.01

（2）董湘怀.材料加工理论与数值模拟[M].北京高等教育出版社，

2005.08

（3）汤爱涛,计算机在材料工程中的应用[M].重庆重庆大学出版社,

2008.06

（4）曾令可.计算机在材料科学与工程中的应用[M].武汉武汉理工大学出版社,

2014.

033.期刊

（1）高英俊.计算机模拟在材料科学中的应用[J].广西大学学报（自然科学版），2001,26

（4）:291-

294.

（2）陈明和.计算机模拟与预测方法在材料科学研究中的应用[J].机械工程材料，2005,29

（6）:1-

3.

（3）王丹丹.计算机模拟技术在材料科学中的应用[J].内蒙古石油化工，2011,37

（07）:191-

192.4陈文革.计算机在材料科学中的应用[J].材料导报,2000,142:20-

21.5Varshika Singh.Recent trendsin computationaltools anddata-driven modelingfor advancedmaterials[J].Materials Advances,2022,3,4069-

4087.6Schmidt J.Recent advancesand applicationsof machinelearning insolid-state materialsscience[J].Computational Materials,20191:1-

36.

4.网络资源1中国CAE联盟，2中国互动仿真网，3中国慕课网-计算机在材料科学应用，01174七课程考核对课程目标的支撑课程成绩由过程性考核成绩和期末考核成绩两部分构成，具体考核/评价细则及对课程目标的支撑关系见表4表课程考核对课程目标的支撑4考核环占课程目标考核/评价细则节比123课1根据课堂出勤情况和课堂回答问题情况进行考N q q堂核，满分100分15表2以平时考核成绩乘以其在总评成绩中所占的比例442现计入课程总评成绩1根据每个上机的实验操作完成情况和实验报告质q上量单独评分，满分100分；过机2每次上机操作单独评分，取各次实验成绩的平均15程操值作为此环节的最终成绩15性考作3以上机操作成绩乘以其在总评成绩中所占的比例核计入课程总评成绩1主要考查学生对各章节知识点的复习、理解和掌q qq握程度，满分100分；平时2每次作业单独评分，取各次成绩的平均值作为此20作环节的最终成绩663业3以作业成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩1课程小论文成绩100分，以卷面成绩乘以其在总qqq评成绩中所占的比例计入课程总评成绩期末2主要考核材料科学与工程领域相关软件的使用方50考核法和心得体会，查阅相关文献，关注相关软件在材料252510科学与工程的应用现状等内容，以实现培养学生材料研究、创新能力的效果合计100分355015

八、考核与成绩评定考核方式及成绩评定L考核方式本课程主要以课堂表现、上机操作、平时作业、期末考核等方式对学生进行考核评价考核基本要求考核总成绩由期末考核即课程小论文成绩，课堂表现、上机操作和平时作业过程性评价成绩组成，其中过程性评价成绩权重占50%、课程小论文成绩权重占50%分值分配应与教学大纲各章节的学时基本成比例.过程性考核成绩的标准2过程性考核方式重点考核内容、评价标准、所占比重见表5表过程性考核方式评价标准5考核方式所占比100x9090x8080x7070x60x60重%积极参与并按认真参与并时、按质完成按时、按质完参与并完成能够课堂任不能够完成课堂任务，踊成课堂任务，课堂任务，回务，偶尔参课堂任务，不课堂表现30跃回答问题，回答问题准答问题准确与教学活参与教学活准确率大于确率大于率大于70%o动动90%80%按时完成上机按时完成上完成上机操完成上机操不能完成上上机操作30操作，正确率机操作，正确作，正确率大作，正确率机操作，正确大于90%率大于80%o于70%大于60%o率小于60%o作业完整，思作业完整，准不交作业不交作业1/4不交作业1/2路清晰，准确确率大于1/3以内，准平时作业40以内，准确率以上，准确率率大于90%,字80%,字迹工确率大于大于70%.小60%o迹工整整60%.。